بررسی انواع موتور یا انجین پیشرفته در خودرو

انواع انجین‌ پیشرفته در خودرو

در این مقاله، به بررسی انواع موتورهای پیشرفته در خودروهای امروزی می پردازیم. از موتورهای احتراق داخلی گرفته تا تکنولوژی های جدید و آینده صنعت خودروسازی در دنیای مدرن.
انجین (موتور) پیشرفته خودرو، قلب تپنده فناوری‌های نوین در صنعت خودروسازی است. با افزایش تقاضا برای خودروهای پاک، پرتوان و کم‌مصرف، سازندگان به سمت توسعه موتورهای با فناوری‌های هایبرید، الکتریکی و احتراق داخلی بهینه‌شده حرکت کرده‌اند. این مقاله به بررسی آخرین فناوری‌های موتورهای پیشرفته، مزایا و چالش‌های آن‌ها می‌پردازد.  

 انواع انجین‌ پیشرفته در خودروهای امروزی

1. موتورهای احتراق داخلی (ICE) بهینه‌شده

موتورهای احتراق داخلی (Internal Combustion Engines) بیش از یک قرن است که نیروی محرکه خودروها را تأمین می‌کنند. این موتورها در انواع مختلفی طراحی شده‌اند که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. در اینجا به بررسی جامع‌ترین دسته‌بندی موتورهای احتراق داخلی می‌پردازیم:

1.1 طبقه‌بندی بر اساس چرخه کاری

الف) موتورهای چهارزمانه (Four-Stroke)

مراحل کار:

• مکش (پیستون پایین، سوخت و هوا وارد می‌شود)
• تراکم (پیستون بالا، مخلوط فشرده می‌شود)
• توان (احتراق، پیستون به پایین رانده می‌شود)
• تخلیه (پیستون بالا، گازهای خروجی خارج می‌شوند)

مزایا: راندمان بالا، عمر طولانی

معایب: پیچیدگی مکانیکی

کاربرد: 99% خودروهای مدرن

ب) موتورهای دوزمانه (Two-Stroke)

مراحل کار:

• تراکم + احتراق
• تخلیه + مکش

مزایا: قدرت ویژه بالا، ساختار ساده

معایب: آلایندگی شدید، مصرف روغن

کاربرد: اره برقی، موتورسیکلت‌های ارزان قیمت

2.1 طبقه‌بندی بر اساس نوع سوخت

الف) موتورهای بنزینی (Gasoline)

موتورهای بنزینی با احتراق مخلوط بنزین و هوا، به عنوان قلب تپنده بسیاری از خودروها عمل می کنند. این موتورها با تکنولوژی های جدید به طور مداوم بهینه سازی می شوند.

• سیستم احتراق: جرقه شمع
• نسبت تراکم: 8:1 تا 12:1
• مزایا: کارکرد نرم، هزینه تعمیر پایین
• معایب: بازده حرارتی پایین (~30%)

ب) موتورهای دیزلی (Diesel)

موتورهای دیزلی با راندمان سوخت بهتر و گشتاور بالاتر، در خودروهای سنگین و وانت ها مورد استفاده قرار می گیرند .فناوری های نوین به کاهش آلایندگی در این موتورها کمک
می کنند.

• سیستم احتراق: خوداشتعالی (بدون شمع)
• نسبت تراکم: 14:1 تا 25:1
• مزایا: گشتاور بالا، بازده ~40%
• معایب: آلایندگی ذرات معلق (PM)

3.1 طبقه‌بندی بر اساس آرایش سیلندرها

• خطی (Inline):  مزیت آن تعمیر آسان و ارتعاش کم اما به نسبت طول زیادی دارد. مانند انجین BMW سری 3 (I4).
• Vشکل (V-type): مزیت موتور وی شکل فشردگی و قدرت بالای آن است اما در مقابل هزینه تولید آن نیز بالا است. مانند موتور فورد موستانگ (V8).
• باکسری (Boxer): مرکز ثقل پایین در موتور باکسری یک نکته‌ی مثبت است اما در مقابل عرض زیاد این موتور نکته‌ی منفی این انجین محسوب می‌شود. مانند موتور سوبارو ایمپرزا.
• Wankel (روتاری): حجم کم و قدرت بالا از مزایای موتور روتاری است اما در عوض مصرف سوخت بالا از معایب این انجین محسوب می‌شود. مانند انجین  مزدا RX-8.

4.1 طبقه‌بندی بر اساس سیستم تغذیه هوا

الف) موتورهای تنفس طبیعی (NA)

• مکانیسم: ورود هوا با مکش پیستون
• مزایا: پاسخ دهی خطی، قابلیت اطمینان
• معایب: قدرت محدود در حجم کم

ب) موتورهای توربوشارژ (Turbocharged)

توربوشارژ با استفاده از گازهای خروجی، قدرت موتور را افزایش می دهد و شتاب خودرو را بهبود می بخشد. با استفاده از توربوشارژ، می توان با حجم کمتری از موتور به قدرت بالا دست یافت و در نتیجه مصرف سوخت بهینه می شود. توربوشارژ به افزایش گشتاور در دورهای پایین کمک می کند و رانندگی لذت بخش تر و نرم تر می شود.

• مکانیسم: استفاده از توربین برای فشرده‌سازی هوا
• مزایا: افزایش 40% قدرت بدون افزیش حجم
• معایب: توربو لیگ (تأخیر در پاسخ)

ج) موتورهای سوپرشارژ (Supercharged)

• مکانیسم: کمپرسور مکانیکی متصل به میل‌لنگ
• مزایا: پاسخ فوری، عدم تأخیر
• معایب: کاهش راندمان به دلیل مصرف قدرت موتور

فناوری‌های نوین در موتورهای احتراق داخلی

این موتورها با وجود قدمت، هنوز با فناوری‌های جدید ارتقا یافته‌اند:

• سیستم‌های توربوشارژ و سوپرشارژ
• افزایش راندمان بدون افزایش حجم موتور

مثال: توربوی دوگانه (Bi-Turbo) در خودروهای اسپرت

• تزریق مستقیم سوخت (GDI): پاشش سوخت مستقیم به سیلندر
• کاهش مصرف سوخت تا 15%
• کنترل دقیق احتراق
• سیستم خاموش/روشن خودکار (Start-Stop)
• کاهش مصرف سوخت در ترافیک
• احتراق همگن فشرده (HCCI): ترکیب مزایای بنزینی و دیزلی
• سیستم خاموش/روشنی سیلندر (Cylinder Deactivation): غیرفعال کردن برخی سیلندرها در بار کم

2. موتورهای هیبریدی (Hybrid)

موتورهای هیبریدی (Hybrid Electric Vehicles – HEV) سیستمی هستند که موتور احتراق داخلی (بنزینی/دیزلی) را با موتور الکتریکی و باتری ترکیب می‌کنند تا مزایای هر دو فناوری را ارائه دهند. این خودروها بدون نیاز به شارژ خارجی، مصرف سوخت و آلایندگی را بهینه می‌کنند.

همان طور که گفتیم در موتور‌های هیببریدی موتور احتراقی و الکتریکی ترکیب شده‌اند. این ترکیب می‌تواند به اشکال زیر باشد:

• هیبرید سری: موتور بنزینی فقط ژنراتور را می‌چرخاند و تنها موتور الکتریکی به چرخ‌ها نیرو وارد می‌کند. مثل خودروی BMW i3 REx.
• هیبرید موازی: هر دو موتور به چرخ‌ها نیرو می‌دهند. در این سیستم، موتور الکتریکی معمولاً کوچک است (20-50 کیلووات). مثل خودروی Toyota Prius،هوندا سیویک هیبرید، تویوتا کامری هیبرید.
• هیبرید سری-موازی (Power-Split Hybrid): در این مدل هیبرید سری و موازی ترکیب شده‌اند و از مزایای هر دو مدل می‌توان بهره برد. این مدل از سیستم سیاره‌ای (پلناتری) برای تقسیم قدرت استفاد می‌نماید. مثل خودوری Mitsubishi Outlander PHEV و فورد فیوژن هیبرید.
• پلاگین هیبرید (Plug-in Hybrid – PHEV): در این مدل از باتری بزرگ‌تر (8-30 کیلووات ساعت) استفاده می‌شود. همچنین امکان شارژ از برق شهری را دارد. با این انجین پیشرفته می توان برای 30-80 کیلومتر به صورت تمام الکتریکی حرکت کرد. مانند خودوری تویوتا RAV4 Prime و پورشه کاین PHEV
• هیبرید ملایم (Mild Hybrid – MHEV): این مدل موتور الکتریکی کوچکی (10-15 کیلووات) دارد. هیبرید ملایم به صورت مستقل با برق حرکت نمی‌کند بلکه در شتاب و بازیابی انرژی به موتور اصلی کمک می‌نماید. مانند خودروی مرسدس بنز E300 EQ Boostو آئودی A6 55 TFSI e.

مزایای موتورهای هیبریدی :تلفیق موتور بنزینی و الکتریکی

• کاهش مصرف سوخت
• آلودگی صوتی کمتر
• کاهش آلایندگی
• شتاب سریع‌تر

3. موتورهای تمام‌الکتریکی (BEV)

موتورهای تمام‌الکتریکی (Battery Electric Vehicles – BEV) یکی از پیشرفته‌ترین و پاک‌ترین فناوری‌های محرکه در صنعت خودرو محسوب می‌شوند. این سیستم‌ها به‌طور کامل از انرژی الکتریکی ذخیره‌شده در باتری‌ها استفاده می‌کنند و هیچ گونه آلایندگی مستقیم ندارند. در موتور تمام الکتریکی، فرآیند احتراق به طور کامل حذف شده‌است. این انجین پیشرفته‌، گشتاور آنی و شتاب بالایی دارد. مانند خودروی Tesla Model S Plaid با 1,020 اسب بخار.

 اجزای اصلی سیستم محرکه تمام‌الکتریکی

1. موتور الکتریکی (Electric Motor)

انواع رایج:

• موتور سنکرون با آهنربای دائم (PMSM): بازده تا 97% (استفاده در تسلا مدل 3)
• موتور القایی (AC Induction): بدون آهنربا، مقاومت بالا (تسلا مدل S اولیه)

مزایا:

• گشتاور آنی از دور صفر
• عدم نیاز به کلاچ و جعبه دنده پیچیده

  

2. باتری‌های لیتیوم‌یونی

ترکیب شیمیایی رایج:

• NMC (نیکل-منگنز-کبالت): انرژی ویژه بالا
• LFP (لیتیوم آهن فسفات): ایمنی بیشتر، عمر طولانی‌تر
• ولتاژ معمول: 350-800 ولت در خودروهای مدرن

3. سیستم مدیریت انرژی (BMS)

وظایف:

• بالانس سلول‌های باتری
• کنترل دما
• پیش‌بینی عمر باقی‌مانده باتری

4. موتورهای هیدروژنی (FCEV)

موتورهای هیدروژنی یا خودروهای پیل سوختی (FCEV) یکی از جذاب‌ترین فناوری‌های جایگزین برای خودروهای احتراقی سنتی محسوب می‌شوند. این سیستم‌ها با ترکیب هیدروژن و اکسیژن در یک پیل سوختی، برق تولید می‌کنند و تنها خروجی آنها آب مقطر است و هیچ آلایندگی برای محیط زیست ندارد. اما محدود بودن زیرساخت سوخت‌رسانی از معایب استفاده از انجین هیدوژنی محسوب می‌شود.

درحالی که FCEVها هنوز در مراحل اولیه تجاری هستند، پتانسیل بالایی برای حمل و نقل سنگین و مسافت‌های طولانی دارند.
موفقیت این فناوری به کاهش هزینه تولید هیدروژن سبز و توسعه زیرساخت‌ها وابسته است.

نحوه کار سیستم هیدروژنی

1. اجزای اصلی

• پیل سوختی (Fuel Cell Stack): مبدل انرژی شیمیایی به الکتریکی
• مخزن هیدروژن: ذخیره گاز تحت فشار 700 بار
• باتری کمکی: ذخیره‌سازی انرژی بازیافتی
• موتور الکتریکی: مشابه خودروهای برقی (BEV)

2. فرآیند تولید انرژی

• هیدروژن از مخزن به آند پیل سوختی وارد می‌شود.
• اکسیژن هوا به کاتد می‌رسد.
• واکنش شیمیایی تولید می‌کند:
• آند: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
• کاتد: O₂ + 4e⁻ → 2O²⁻
• الکترون‌ها جریان برق ایجاد می‌کنند.
• یون‌ها ترکیب شده و آب تولید می‌کنند: 4H⁺ + 2O²⁻ → 2H₂O

آینده موتورهای پیشرفته در خودروهای آینده

پیش‌بینی آینده‌ی صنعت خودروسازی از دیدگاه پیشرانه‌های به کار رفته در آن با گذر زمان نه ساده تر، بلکه به مراتب دشوارتر شده است. موتورهای درون سوز (احتراق داخلی) قدمتی فراتر از یک قرن دارند. بازده فنی آن ها در طول زمان بیشتر و بیشتر و از میزان آلاینده ها و مصرف سوخت آنها نیز به شکل قابل توجهی کاسته شده است. اما مهندسان همچنان در پی استفاده از تکنولوژی و دانش روز هستند تا به نحوی این پیشرانه های نسبتا کم بازده (در مقایسه با پیشرانه های هیبرید و مخصوصا الکتریکی) را با نمونه بهتر، کم مصرف تر، پاک تر و پربازده تر جایگزین کنند.

قرار بود صنعت خودروسازی جهان تا سال ۲۰۳۰ به شکل بسیار فراگیر و بسیار گسترده به استفاده از موتورهای الکتریکی به جای پیشرانه های سوخت فسیلی روی آورد. با ورود عمیق تر به داستان طراحی و تولید انبوه خودروهای برقی مشخص شد که تقریبا هیچ کشوری در جهان توان تامین نیروی الکتریسیته بسیار خیره کننده برای حجم چند میلیونی از خودروهای برقی را ندارد. تنها کشورهایی که ممکن است توانایی تامین این حجم از انرژی را داشته باشند، به شکل گسترده ای به استفاده از نیروگاه های اتمی وابسته اند که خود به تنهایی یک خطر بالقوه برای سالمت بشریت و پاکیزگی کره زمین به حساب می آید.

مجموعه این درگیری‌ها و عدم اتفاق نظر میان خودروسازان و مشتریان نهایی منجر به قدرت گرفتن گروه خودروهای هیبرید در سال های اخیر شد. خودروهایی که بخشی از مزایای پیشرانه های احتراق داخلی و تمام الکتریکی را با یکدیگر ترکیب کرده و بالانس قابل قبولی از توان و بازده را به ارمغان آورده اند.

در چند سال اخیر بسیاری از خودروسازان بزرگ و تراز اول جهان از جمله جنرال موتورز، هیوندای، فولکس واگن و رنو-نیسان اعالم کرده اند که هنوز برای تغییر صد در صدی و جایگزینی کامل خودروهای سوخت فسیلی با خودروهای تمام الکتریکی آماده نیستند. از این رو چنین تغییر بزرگ و فراگیری در صنعت خودروسازی جهان در سال ،۲۰۳۰ ممکن است با پیشرفت بیشتر در زمینه های علمی و تکنولوژی، کمی دیرتر و در سال ۲۰۵۰ محقق شود.

بیشتر